霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、南昌大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告課程名稱： 普通物理實(shí)驗(yàn)（2）實(shí)驗(yàn)名稱：霍爾效應(yīng)學(xué)院：專業(yè)班級：學(xué)生姓名：學(xué)號：實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)：座位號：實(shí)驗(yàn)時(shí)間：一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?、了解霍爾效應(yīng)法測磁感應(yīng)強(qiáng)度Is的原理和方法；2、學(xué)會用霍爾元件測量通電螺線管軸向磁場分布的基本方法;二、實(shí)驗(yàn)儀器：霍爾元件測螺線管軸向磁場裝置、多量程電流表 2只、電勢差計(jì)、滑動變阻器、雙路直流穩(wěn)壓電源、雙刀雙擲開關(guān)、連接導(dǎo)線 15根。三、實(shí)驗(yàn)原理:1、霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)本質(zhì)上是運(yùn)動的帶電粒子在磁場中受洛侖磁力作用而引起的偏轉(zhuǎn)。當(dāng)帶電粒子（電子或空穴）被約束在固體材料中，這種偏轉(zhuǎn)導(dǎo)致在垂直電流和磁 場方向上產(chǎn)生正負(fù)電荷的聚積，從而形成附加的橫加電場，

2、即霍爾電場EH .如果Eh0,則說明載流 子為空穴，即為p型試樣。顯然霍爾電場Eh是阻止載流子繼續(xù)向側(cè)面偏移，當(dāng)載流子所受的橫向電場力eEH與洛侖磁力eVB相等，樣品兩側(cè)電荷的積累就達(dá)到動態(tài)平衡，故有：e Eh =- evB其中Eh為霍爾電場，V是載流子在電流方向上的平均速度。若試樣的寬度I nevbd為b,厚度為d,載流子濃度為n,則 由上面兩式可得：I nevbd1 I SBI SB/ QVh EhbRh (3)ne d d即霍爾電壓Vh (上下兩端之間的電壓)與IsB乘積成正比與試樣厚度d成反比。1比列系數(shù)Rh ,稱為霍爾系數(shù)，它是反應(yīng)材料霍爾效應(yīng)強(qiáng)弱的重要參量。只要 ne測出Vh以及知

3、道Is、B和d可按下式計(jì)算Rh :Rh 等 I/2、霍爾系數(shù)Rh與其他參量間的關(guān)系根據(jù)Rh可進(jìn)一步確定以下參量：(1)由Rh的符號(或霍爾電壓的正負(fù))判斷樣品的導(dǎo)電類型。判別方法是電壓為負(fù)，Rh為負(fù)，樣品屬于n型；反之則為p型。1(2)由Rh求載流子濃度n.即n 這個(gè)關(guān)系式是假定所有載流子都具有 Rh e相同的漂移速度得到的。(3)結(jié)合電導(dǎo)率的測量，求載流子的遷移率與載流子濃度n以及遷移率 之間有如下關(guān)系ne 即=Rh| ，測出值即可求 。3、霍爾效應(yīng)與材料性能的關(guān)系由上述可知，要得到大的霍爾電壓，關(guān)鍵是選擇霍爾系數(shù)大(即遷移率高、電阻率也較高)的材料。因 Rh，金屬導(dǎo)體和都很低；而不良導(dǎo)體

4、雖高，但 極小，所以這兩種材料的霍爾系數(shù)都很小，不能用來制造霍爾器件。半導(dǎo)體 高， 適中，是制造霍爾元件較為理想的材料，由于電子的遷移率比空穴遷移率大，所以霍爾元件多采用n型材料，其次霍爾電壓的大小與材料的厚度成 反比，因此薄膜型的霍爾元件的輸出電壓較片狀要高得多。就霍爾器件而言，其1. . 一.厚度是一定的，所以實(shí)用上米用 Kh ,來表示器件的靈敏度，Kh稱為霍爾ned44靈敏度，單位為mV/mA?T .4、伴隨霍爾效應(yīng)出現(xiàn)的幾個(gè)副效應(yīng)及消除辦法在研究固體導(dǎo)電的過程中，繼霍爾效應(yīng)之后又相繼發(fā)現(xiàn)了愛廷豪森效應(yīng)、能 斯特效應(yīng)、理吉勒杜克效應(yīng)，這些都屬于熱磁效應(yīng)?，F(xiàn)在介紹如下：(1)愛廷豪森效應(yīng)電

5、壓愛廷豪森發(fā)現(xiàn)，由于載流子速度不同，在磁場的作用下所受的洛侖磁力不相 等，快速載流子受力大而能量高，慢速載流子受力小而能量低，因而導(dǎo)致霍爾元 件的一端較為另一端溫度高而形成一個(gè)溫度梯度場，從而出現(xiàn)一個(gè)溫差電壓。此效應(yīng)產(chǎn)生的電壓的大小與電流I、磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大小成正比，方向與Vh一致。因此在實(shí)驗(yàn)中無法消去，但電壓值一般較小，由它帶來的誤差約為5位右。(2)能斯特效應(yīng)電壓由于電流輸入輸出兩引線端焊點(diǎn)處的電阻不可能完全相等， 因此通電后會產(chǎn) 生不同的勢效應(yīng)，使x方向產(chǎn)生溫度梯度。電子將從熱端擴(kuò)散到冷端，擴(kuò)散電子 在磁場中的作用下在橫向形成電場，從而產(chǎn)生電壓。電壓的正負(fù)與磁場 B有關(guān)， 與電流I無關(guān)。

6、(3)里紀(jì)-勒杜克效應(yīng)電壓由能斯特效應(yīng)引起的擴(kuò)散電流中的載流子速度不一樣，類似于愛廷豪森效 應(yīng)，也將在y方向產(chǎn)生溫度梯度場，導(dǎo)致產(chǎn)生一附加電壓，電壓的正負(fù)與磁感應(yīng) 強(qiáng)度B有關(guān)，與電流I無關(guān)。(4)不等勢電勢差不等勢電勢差是由于霍爾元件的材料本身不均勻，以及電壓輸出端引線在制 作時(shí)不可能絕對對稱焊接在霍爾片的兩側(cè)所引起的。 這時(shí)即使不加磁場也存在這 種效應(yīng)。若元件制作不好，有可能有著相同的數(shù)量級，因此不等勢電勢差是影響 霍爾電壓的一種最大的副效應(yīng)。電壓的正負(fù)只與電流有關(guān)，與磁感應(yīng)強(qiáng)度B無關(guān)。因?yàn)樵诋a(chǎn)生霍爾效應(yīng)的同時(shí)伴隨著各種副效應(yīng)，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)測得的兩極間的電 壓并不等于真實(shí)的霍爾電壓 Vh值，而是

7、包括各種副效應(yīng)所引起的附加電壓，因 此必須設(shè)法消除。根據(jù)副效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)理可知，采用電流和磁場換向的對稱測量 法，基本上能把副效應(yīng)的影響從測量結(jié)果中消除。 即在規(guī)定了電流和磁場正反向 后，分別測量由下列四組不同方向的1s和B組合的Va/a( A/, A兩側(cè)的電勢差) A A即B, IsVa/a ViB, IsVa/a V2B, IsVa/a V3B，IsVa/a V4然后求VV2、V V4代數(shù)平均值，得：通過上述的測量方法，雖然還不能消除所有的副效應(yīng)，但引入的誤差不大， 可以忽略不計(jì)。四、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1、掌握儀器性能，連接測試儀與實(shí)驗(yàn)儀之間的各組連線（ 1）開、關(guān)機(jī)前，測試儀的“I S 調(diào)節(jié)”和

8、“I M 調(diào)節(jié)”旋鈕均置零位（即逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)到底）；（ 2）按課本裝置圖連接測試儀和實(shí)驗(yàn)儀之間各組連線。注意：（ 1）樣品各電機(jī)引線與對應(yīng)的雙刀開關(guān)之間的連線已經(jīng)制造好了，不能再動。（ 2） 嚴(yán)禁將測試儀的勵磁電流的輸出接口誤接到實(shí)驗(yàn)儀的其他輸入輸出端口，否則一旦通電，霍爾樣品會被立即損毀。本實(shí)驗(yàn)樣品的尺寸為：d=,b=,l= 。 本實(shí)驗(yàn)霍爾片已處于空隙中間，不能隨意改變y 軸方向的高度，以免霍爾片與磁極間摩擦而受損。（ 3）接通電源，預(yù)熱數(shù)分鐘，電流表顯示“.000”（當(dāng)按下“測量選擇”鍵時(shí)）或“”（放開“測量選擇”鍵時(shí)） 。（4）置“測量選擇”與檔，電壓表所示的值即雖“ Is調(diào)節(jié)”旋鈕順時(shí)針

9、轉(zhuǎn)動而增大，具變化范圍為0-10mA時(shí)電壓表Vh所示讀數(shù)為“不等勢”電壓值, 它隨Is增大而增大，換向，Vh極性改號。取=2mA.（5） 置“測量選擇”與 I M 擋（按鍵），順時(shí)針轉(zhuǎn)動“I M 調(diào)節(jié)”旋鈕，電流表變化范圍為0-1A 此時(shí) VH 值隨 I M 增大而增大，I M 換向， VH 極性改號。至此，應(yīng)將“I M 調(diào)節(jié)”旋鈕置零位（即逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)到底）。（6）放開測量選擇鍵，再測 h,調(diào)節(jié)Is2mA然后將“ Vh , V輸出”切換開關(guān)撥向V 一側(cè)，測量V電壓；Is換向，V也改號。說明霍爾樣品的各電極工作正常，可進(jìn)行測量。將“VH ， V 輸出”切換開關(guān)恢復(fù)VH 一側(cè)。2、測繪Vh - I

10、s曲線將測試儀的“功能轉(zhuǎn)換”置Vh , Is和Im換向開關(guān)擲向上方，表明和Im均為正值。反之則為負(fù)。保持Im =，改變Is的值，Is取值范圍為將實(shí)驗(yàn)測量值記 錄表格。為正值。反之則為負(fù)。保持3、測繪Vh - I m曲線保持I s=，改變I m的值，Im取值范圍為將測量數(shù)據(jù)記入表格。4、測量V值將“Vh , V輸出”撥向V側(cè)，“功能轉(zhuǎn)換”置V .在零磁場下（Im =0）,取I s=,測量V。5、確定樣品導(dǎo)電類型將實(shí)驗(yàn)儀三組雙刀開關(guān)擲向上方，取Is=, Im=.測量VA/A大小及極性，由此 判斷樣品導(dǎo)電類型。6、求樣品的Rh、n、 和值7、測單邊水平方向磁場分布 （Is=, Im=）五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及

11、數(shù)據(jù)分析處理：（1）數(shù)據(jù)記錄參數(shù)表。表1：繪制版-1$實(shí)驗(yàn)曲線數(shù)據(jù)記錄表（Im=0 6A）15/mAVi/mVVa/mVVa/mVVh/oiV+ Ij- +卜-Br - 1$+ BP - 15表2:繪制打-1$實(shí)驗(yàn)曲線數(shù)據(jù)記錄表(15二3mA)WAVmVV3/mVVa/mVV4/mVVH/mV+ B, + 15-+ 1帛-B, - 1+ B. - Is(2)畫出叫-館曲線和(2)畫出叫-館曲線和Vn -抬曲線0.5X I3545(3)記下樣品的相關(guān)參量d、b、I值，根據(jù)在零磁場下，1$二2mA使測得的收(即Vc)值計(jì)算電導(dǎo)率q。其中已知：d 二。一 5mm、b 二 4mm、I = 3nm測得則 b 二圖/vcbd 二 20 99. 7-T(4)確定樣品的導(dǎo)電類型(p型還是n型)。由霍爾電壓的正負(fù)判斷為n型(5)從測試儀電磁鐵的線包上查出B的大小與心的關(guān)系，并求即(Im = 0 6A, Is = 2mA). n 和 口 值。B的大小與1晡勺關(guān)系為8/=4.37KGS/A.1修=0.6A,|ll$ = 2叫桃二-&9075mV得Rh 二,湘/出 X14 2 622c舟C=